无人驾驶载人航空器技术重塑航空未来

朱超磊

无人驾驶城市运输方案解决当下城市交通出现的问题，是现代化城市未来发展的重要方向。

城市交通困境

伴随着城市的产生与发展，人类对城市交通形式的创新与探索便从未停止，从自行车到汽车，从有轨电车到地铁，城市交通始终在朝着更加高效、快捷的方向发展。然而，如今世界各大城市的规模不断扩大，常住人口持续增长，汽车保有量也在迅速增加，随之而来的交通拥堵、交通事故、环境污染等问题日益严重。使得城市内通勤时间长，居民生活品质下降，已经成为制约城市发展的关键问题。因此，寻求更好的城市运输方案，解决当下城市交通出现的问题，是现代化城市未来发展的重要方向。

目前的城市交通方案主要利用地面和地下空间，为了充分提高其利用效率，还出现了多层地下交通和多层地上立交桥的运输形式，但由于城市建设前期规划不足，后期建造成本高，此类方案仍然无法完全解决北京、纽约、东京等特大城市的拥堵困境。城市低空空域作为城市内部的又一块广阔空间，目前尚未完全开放，具有巨大发展潜力。因此，各国政府和交通运输行业开始寻求开展低城市空运项目研究，借此解决交通拥堵难题。

20世纪以来，研究者提出了许多个人飞行的激进方案，包括20世纪60年代推出的个人喷气背包，20世纪90年代初的Aeromobil飞行汽车概念，以及2006年的Terrafugia飞行汽车概念等，这些飞行方案均是对城市空中运输方案的积极探索。但是由于城市内部人员建筑密集，供飞行器使用的起降空间有限，因此只能使用小型航空器进行人员运输，甚至出现了只能搭载1-2名乘客的设计方案。而传统的小型飞机要求配备驾驶员，既浪费了运输资源又增加了人员培训成本，不利于城市空运未来的发展。无人机助力城市空运

近年来，随着计算机、人工智能、自动控制、材料等领域的快速发展，无人机产业实现了巨大进步，无人机在全球范围内得以广泛应用。而无人驾驶载人航空器作为无人机应用形式的一种，可以实现运输时间和空间上的高效率资源配置，给未来城市交通发展提供新的选择。多家航空和创新公司通过解决机械、工程、安全和监管等方面的难题，努力寻找可行的无人驾驶载人航空器运输方案，为小型无人机应用于城市交通提供可行途径，尤其是电动飞机技术和垂直起降技术（VTOL）的突破性进展，为无人机进入城市空域提供了客观技术支撑。

美国宇航局提出的自由移动出行（On-Demand Mobility，ODM）战略框架指出，垂直起降轻型航空器将是未来城市交通的主要形式之一。美国国防高级研究计划局（DARPA地指出，自动驾驶技术和垂直起降技术是未来城市交通发展的重要推动力。垂直起降技术大大降低了轻型载人航空器的起降过程对场地的要求，适合在城市中广泛应用;自动驾驶技术的应用，一方面可以大大减少人为因素引起的安全事故，另一方面也可以有效节省因培训和雇佣飞行员所产生的开支，提高运输效率。

2019年8月30日，特朗普政府发布了关于2021财年的行政研究与发展预算优先事项政策备忘录M-19-25。该备忘录提出，各部门和机构应加大研发力度，优先考虑降低空中自动驾驶工具的部署障碍。重点关注运营标准制定、集成设计、交通管理系统和国防/安全运营等技术发展。应优先考虑实现电动垂直起降的研发。这足以说明美国十分关注未来交通运输方式的变革，美国政府认可了电动垂直起降技术带来变革的能力，该技术的成熟和发展能够大大提高城市交通效率，緩解城市压力。

优步、波音、空客、亿航等公司也认识到无人机在未来城市空运中的巨大潜力，正投入大量力量开发具有实用价值的无人驾驶载人航空器。由于城市空间环境复杂，人口密集，为保证此类飞行器的安全自主飞行，需要解决多项关键技术。在飞行器设计方面包括布局形式设计，动力选择，飞控、材料、电池等技术发展，噪声抑制等;在政策和和安全性方面包括适航取证和空域管理等，具体如下：

布局形式

目前，国内外已发展出了多种类型的无人驾驶载人航空器，从飞行器的布局形式来看，主要有固定翼飞行器、多旋翼飞行器、倾转旋翼飞行器和涵道风扇飞行器等。其中，固定翼飞行器具有飞行速度快，航程远，载重大等优点，但起降距离远，无法悬停也是制约其发展的主要因素。优步公司提出，可以为固定翼飞行器增加旋翼，使其具备垂直起降能力，进而适用于城市空运。倾转旋翼飞行器兼具了垂直起降和高速巡航能力，是针对城市交通的良好解决方案，但由于其控制难度大，技术成熟度低，短期内很难应用于城市交通运输。涵道风扇飞行器具有推进效率高、噪声低、飞行速度快、安全性高的优点，但是由于其结构、气动和控制等技术发展不够成熟，在城市空运领域的应用仍在探索之中。多旋翼飞行器便于操控，可实现垂直起降和悬停，大大减小了起降要求，同时多个旋翼冗余设计可以提高安全性，是目前在该领域应用最为广泛的布局形式。

动力选择

从动力形式上来看，主要分为燃油动力、油一电混合动力和全电推进动力三种形式，由于燃油动力形式效率低、噪声高、对环境污染严重，在低空城市运输中很少运用。以优步为代表的城市共享空运企业认为全电推进方案具有高效率、低噪声、低污染等显著优势，是解决城市间高效率运输的首要选择。但以罗·罗为代表的传统动力系统制造商则认为，目前，电池能量密度无法满足所有任务设计要求，混合电推进方案将是更好的选择。

自主飞行

具备自动驾驶能力可以大大提升此类飞行器的运输效率，降低人力成本，这对飞控系统和通信链路系统提出很高的要求。飞控系统主要包括传感器和机载计算机两部分，各类传感器可以获得飞行器姿态、位置、速度和高度等参数，机载计算机通过处理飞行任务和传感器信息，给动力系统提供指令，完成飞行器的姿态、速度等控制，实现自主飞行。一套完善的飞控系统包含高精度、高可靠的导航技术，精确的位姿控制技术，轨迹规划技术和自主避障技术等，是无人驾驶载人航空器安全运行的基础。

安全性

由于城市人口密度大，空中与地面环境复杂，未来无人驾驶载人航空器大量投入使用，必须要考虑飞行安全问题。飞行器本身，通过多余度设计方案保证某一部件失效时仍能够进行有效控制，安全降落;通过智能故障检测系统和安全预警机制保障任务可靠性;通过增加救生装置和失效保护设施，保障乘员在意外发生时的安全性。链路方面，由于城市内物理和电磁环境复杂，数据传输过程中的损耗和遮挡问题严重，要求数据链具有较高的抗干扰和阻塞等能力。同时要保证无人机的数据安全，能够避免数据泄露，具备防欺骗能力。

噪声抑制

实现城市内短途载人飞行，需要关注起降和飞行过程中的噪声问题。具备垂直起降能力的无人机通常有多个螺旋桨，电机和桨叶高速运转过程中通常会产生巨大噪声。相关技术人员通过计算机建模仿真，分析桨叶数量、厚度、转速等影响噪声大小的因素，通过优化设计实现噪声抑制。同时，针对电流突变和振动等引起的电机噪声，设计人员通过改变电流形式，减小电流突变等方法进行控制。

适航取证

全球目前有大量正在开发的新概念无人驾驶载人航空器，这些飞行器常常采用全新的构型和不同的动力装置。现有的适航规章已经无法满足其发展需求，因此亟待开发适用于此类飞行器的适航标准，在保障飞行安全的前提下更好地推进新技术的发展和新型交通运输方式的运用。美国联邦航空管理局计划为此类飞机制定新的特殊条款，欧洲航空安全局也发布了首批针对小型垂直起降飞行器的运行安全专用条件。这些标准不仅为此类飞行器提供了审定标准，还为设计和制造人员的开发过程提供了重要参考。

空域管理

无人驾驶载人航空器需要使用城市内部低空空域，而且由于单个飞行器载客量小，未来投入使用后会有大量无人机在城市内部飞行，该类使用场景已经超出了现有空管系统的管理能力。因此，在空域管理方面需要制定合理的空管制度，使用更加高效的空管技术，在保证飞行安全的前提下，提高运输效率。需要进行空域中载人无人机与其他飞行器（如传统飞机和无人机）间相互影响的分析工作，确保标准化发展。优步已经在努力解决其中的一些问题。作为与美国宇航局合作的一部分，它正致力于开发专用的空中交通管理系统。通过设置通行许可证、实行区域划分、设定噪声限制等，将无人驾驶载人航空器更好地纳入现有城市运输服务中。美国目前正在开发无人交通管理架构，适用于管理低空无人机运行，使无人机能够使用商业实体提供的空域服务。城市空运项目

虽然无人驾驶载人航空器的发展与应用存在诸多技术难点，很难在短期内大规模投入使用，但是国内外政府和企业从未停止相关技术的探索。目前，全球范围内已产生了上百个城市空运项目，设计产生了数十型此类飞行器。本文选取其中六个项目进行简单介绍：

Volocopter

Volocopter是德国Volocopter公司开发的一款纯电动飞行器，该飞行器有带有一个小型的两座机舱，顶部安装18个螺旋桨，时速可达100km/h，最长飞行时间为30min。作为初期产品，该型飞机尚未实现完全自主飞行，仍配置了可供成员操纵的摇杆，可以进行简单的起飞、上升、前进、降落等操纵，成员经过简单培训即可以独立完成操控。

Volocopter项目在设计研发与迭代过程中结合市场化需求，解决了诸多关键问题：首先是安全问题，飞行器在飞行过程中出现故障时，会紧急启动多项安全措施，包括备用电池、旋翼、降落伞等，保障飞行安全。另外通过其搭载的全球定位系统和多个传感器，可以按照规划路线飞行，避免发生碰撞;其次，为保证便捷性，未来投入市场后，顾客可以通过智能手机召唤“飞的”，大大简化了使用流程，有利于实现日常商业化应用。

同時，为解决空域内有人驾驶飞机与无人驾驶飞机安全共存问题，2019年8月29日，Volocopter公司在芬兰赫尔辛基国际机场开展了有人驾驶飞行测试，将城市空运飞行器集成到空中交通管理（ATM）和无人驾驶交通管理（UTM）系统内，以验证在包括机场的城市环境内的可实现安全、高效的城市空运服务运营。

亿航

在2016年CES国际消费类电子产品展览会上，来自中国的亿航公司展示了全电动低空载人无人机“亿航”184，该型飞行器是世界上第一款真正意义上的载人无人机。飞行器高1.5m，重量200kg，续航时间为23min，平均巡航速度为100km/h。主要包括一套四轴八桨的动力系统、单人机舱和一个行李后备箱，舱门采用鸥翼门设计，机臂可自由折叠，折叠后可以停放在汽车车位上。随后开发的“亿航”216飞行器是双座设计，采用同轴双层的16个螺旋桨设计，已经完成了超过1000次载人飞行，续航时间为25min，航程为30～40km。乘客在座位前面的屏幕上输入目的地后，机载电脑会提供最佳路线，并按照路线前往目的地。

亿航公司同样十分关注无人驾驶载人航空器的安全性问题，首先对动力系统和电源系统进行冗余设计，采用多机臂多旋翼设计，即使某个桨因意外损坏或停转，仍然可以平稳飞行或安全着陆。通过BMU统一管理8个BCU，使8组电池协同配合提供安全可靠的动力电源，即使有一组电池出现故障，飞行器的电源系统仍然可以可靠稳定地运行。飞行器内置了亿航自主研发的Fail Safe系统，在任何部件出现故障或飞行器失联时，都将采取就近降落的措施，遇到紧急情况时也可一键悬停。通信系统也拥有双重保障，每架飞机都有独立密钥，并进行了数据加密。

Uber Elevate

Uber Elevate团队计划在2023年实现共享航空运输，计划分两个阶段进行，首先实现郊区和城市间的空中运输，随后完成城市内部的空中运输。在开创了分布式电力推进系统（DEP）的美国宇航局工程师Mark Moore的带领下，优步车辆工程团队开发了基于城市内交通运输要求的电动垂直起降通用参考模型（eCRM）。通过建立通用模型，使潜在飞行器设计公司明确了设计要求（包括150miles/h的巡航速度，60miles的飞行半径，3h巡航时间等），从而获得多种有效设计方案，通过各方案间的比较分析最终获得最优方案，其设计重点是技术实现能力以及满足城市安全法规。优步公司的目标是开发无人驾驶载人航空器，以减小雇佣和培训飞行员带来的开支，同时提高飞行器的载客能力，但由于现有倾转旋翼系统的飞控系统研发不够成熟，此类乘用无人机方案仍在发展之中。

城市空中巴士（CityAirbus）

为实现城市交通从地面到空中的转变，空客公司提出了一种全电动垂直起降紧凑型飞行出租车的概念，其目的是连接包括火车站和机场在内的主要交通枢纽。空客公司研发的无人驾驶载人飞行器城市空中巴士配备了四个高升力推进装置和八个螺旋桨，由大约950rad/min的电动机驱动，以确保较低的噪声水平。其固定航线的巡航速度约为120km/h，自主时间长达15min，可容纳四名乘客，非常适合城市中短距飞行。空中客车公司的目标是沿着固定的预定航线运营该航空器，将大大增加车站或机场间繁忙的城市中转站的交通效率，也有助于缓解地面拥堵。此外，通过更换电池单元或自动充电站有助于使这些车辆在未来更快投入市场使用。

Lilium Jet

2017年4月，德国Lilium公司设计的全电动飞机Lilium Jet在慕尼黑首飞成功，其设计目标包括城市间通勤和从城市中心到郊区的短距飞行。该型飞机安装了36个低噪声电动引擎，通过倾转电机模组实现垂直起降和像喷气式飞机一样的巡航飞行。该飞机的航程为300km，循环速度为300km/h，产生的噪声低于汽车。预计其服务将于2025年推出，乘客可以通过手机程序选择出行方案，实现便捷的空中旅行。

Lilium Jet拥有远程操控、人工驾驶和自动驾驶三种不同版本。全自动驾驶是个过于未来的话题，涉及安全问题的不确定性太多，该公司首先将关注人工驾驶版本（以取得适航证）。2024年这款飞行器将进入量产阶段，2025年起，Lilium Jet将开始在慕尼黑进行商业运营。

Bell Nexus

贝尔直升机公司在2018年国际消费电子展上展示了他们用于空中出租车的概念模型，Bell Nexus将在该四座载人无人机上配备多种功能性设备，以使用户获得更加舒适的乘坐体验，同时将安装赛峰公司提供的先进飞行动力系统和飞控系统技术，包括了飞行控制架构，硬件和软件需求。该系统利用先进的有源电池管理技术，使电池模块能够改善寿命并降低成本，进一步提高Bell Nexus的飞行速度和范围。

该飞行器研发的早期阶段由飞行员驾驶，但为了实现有效成本控制、提高运输效率，其最终发展方向是实现完全自主飞行。佳明公司正在为Bell Nexus开发和集成自动驾驶飞行管理计算机系统，确保其拥有主要的航班信息，导航/通信，飞行指导和飞行管理系统，以便让乘客有效地到達目的地。

未来展望

每项具有革新性的交通工具从产生到发展成熟再到大规模投入使用，都要经历一个漫长的过程，无人驾驶载人航空器的发展也不例外。目前全球迎来了一股无人驾驶载人飞行器的研发热潮，但仍处于起步阶段，需要在满足安全性的前提下实现最基本的功能性需求。随后朝着智能化、数字化、高能效、经济性、长续航等方向发展，最终成为成熟的未来城市交通运输解决方案。实现载人无人机的技术突破是一方面，如何在控制运营成本的前提下完善基础设施建设，确保乘客从起飞到着陆整个过程的便捷和舒适也是另一个需要考虑的重要因素。

我国作为世界上最大的无人机生产国，具备发展无人驾驶载人航空技术的基础条件。同时，国内民航和通航部门也在持续关注此类航空器的发展，并出台了一系列无人机相关的管理规章和法律文件，以促进这一产业规范化发展。工业部门也在持续关注此类飞行器的发展，中国航空研究院于2019年8月15日发布了电动飞机发展白皮书，系统梳理了此类飞机的关键技术，发展现状，未来方向，为相关产业发展布局提供支撑。各类创新创业公司也在开展相关研究，从飞行汽车到无人飞行出租车，各类产品的开发与迭代都促进了相应技术的推进和发展。

无人驾驶载人航空器的未来仍然不确定，无人机技术的创新、自主飞行控制和避撞技术的发展可能导致乘用无人机迅速扩散，也可能给空中交通管理和空域规划带来巨大的压力。但是，人类社会是在不断发展的过程，未知的困难不会妨碍技术的进步，我们可以想象，未来的城市会像科幻小说里一样被各类小型飞行器所占据，城市交通也会由现在的二维平面向三维立体化发展，不同高度不同轨迹的无人驾驶载人航空器会使人们的出行更加高效便捷，也会对环境更加友好，人类社会将真正地迈入“飞行时代”。